黄春华,刘晓建*,郭辉群,侯 堋,陈 薇
(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510610;2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室,广东 广州 510610;3.河海大学,江苏 南京 210024)
珠江口是明显的陆海相互作用区,地貌演变广泛、动力结构多变,加之人类活动十分频繁,该地区的各种动力现象更趋于复杂。受海洋、陆地、季风和大气的共同影响,河口环流十分活跃,控制区域动力格局,影响河口盐度、悬沙和营养盐的输运,同时环流还具有控制鱼类分布、判断污染物质流向等功能。
众多学者已对中国南海大尺度环流的季节和尺度特征开展了大量工作。Wang等[1]利用WOA05 资料和高度计资料分析了南海涡动动能的季节变化;Hu等[2]分析了南海西南部冷涡的三维结构;结合卫星高度计资料和Argo 资料,Chen等[3]深入探讨了吕宋暖涡的垂向结构特性及演变趋势过程;舒业强等[4]总结了黑潮水、季风、复杂地形、冲淡水浮力热力效应等因素在南海北部陆架流系中的作用。然而,以往的研究[5-7]多关注珠江口外南海大尺度环流,较少关注河口内部环流结构特征,导致相关运转规律尚不明晰。
珠江口是南海最大的半封闭河口,陆架环流活跃、海陆作用明显,河口区域受到径流、潮流和近岸环流的综合影响,动力条件十分复杂,呈“三江汇流、八口出海、两湾纳潮、径潮交汇”之势。对于珠江口,环流变化主要受季风、地形、涨落潮等多因素的叠加影响[8],然而此前针对珠江口环流的研究较多为盐度锋面方向,针对环流的季节性时空变化较少,因此,本文基于HYCOM模式的全球海洋再分析环流数据,研究珠江口季节性环流特征,对深入研究珠江河口区域动力过程仍具有重要的科学意义。
HYCOM (HYbrid Coordinate Ocean Model) 模式数据是一种全球海洋环流数值模式,中文称为混合坐标海洋模型,数据下载地址为http://ncss.hycom.org/thredds/catalogs/GLBy0.08/expt_93.0.html.HYCOM模式采用垂向混合坐标模型,包括等深坐标、sigma坐标和等密度坐标,在稳定层结海洋采用等密度坐标,如开阔的海域,在近岸海域采用sigma 坐标,对于混合层和层结不稳定的海域采用等深坐标。它的另一个特点是模式嵌入了多种湍混合模块以供选择,使用了3DVAR(Three Dimensional Variational Scheme)系统同化模式,提高了数据精度,时间分辨率均为3 h。相较其他方法,HYCOM全球再分析数据由于采用多种垂向坐标混合模式,能准确捕捉复杂海床起伏影响下的环流变化,近年来被大量学者运用于大洋和区域海洋研究中[9-10]。
2.1 珠江口海流年际变化
为了探究珠江口海流变化特征,对于典型点位置,以《珠江河口管理办法》提及的河口管理范围外边线万山岛附近为中点,分别在距离中点50 km的口内和口外各布置一个点,即在珠江河口口内、口外及交汇区共布置3个代表性采样点,见图1,对于典型时间,以2017年和2018年“天鸽”和“山竹”2场超强台风作为基础时间,并分别外延1 a,即选取2016年1月1日和2020年1月1日作为代表性时间序列研究范围,各采样点海流年际变化见图2—4。从图中可以看出,珠江口及其邻近水域的海流(主要流向为东北向和西南向)呈现明显的季节性变化,变化周期约为1 a,且越靠近外海变化周期越显著,其中偏东北向海流值及其出现时长小于偏西南向海流,表明珠江口沿岸海流大部分时间是西南向流(约占66.5%),小部分时间为东北向流(约占33.5%),这主要受季节性反转的风场强迫影响,仅在西南季风强盛时沿岸流短时转向东北向。此外,西南沿岸流的驱动机制除受东北季风强迫影响外,部分研究认为冲淡水浮力效应和科氏力作用、淡水以及上升流引起的温盐分布差异、雷州半岛东部的气旋式涡旋等也可能是西向沿岸流产生的重要原因[4]。此外,可以发现图2—4中流速分量出现一些极值,这主要归因于台风过境的影响,例如:1713号超强台风“天鸽”和1822号超强台风“山竹”期间风速均超过了50 m/s以上,造成珠江口海流速度迅速增大。
图1 河口取样点位置
a)东向速度
a)东向速度
a)东向速度
2.2 珠江口外环流特征
研究区域海流存在显著的季节性特征,参考相关研究成果[11-13],冬季和夏季季节性特征显著,而冬季和秋季环流以及涡动多处于过渡阶段,因此,本研究选用夏季7月和冬季12月中旬作为典型时间分析珠江口外环流运移态势,图5、6分别给出了包括珠江口在内的南海北部夏季和冬季的海流流速、海流场特征,从图中可知,夏季在西南季风的作用下,在北部湾北部环流形成一气旋式环流,洋流沿着海南岛东北方向一路向上。在南海北部,底层动力向岸运动,输运深层水爬坡,形成上升流,这主要归因于夏季沿岸西南风的驱动[14]。在吕宋海峡,有较强的黑潮海水流入现象,其是南海北部陆坡陆架流的外在驱动,是沟通南海与大洋之间动力联系的主要载体。在夏季,黑潮直接跨过吕宋海峡向北流动[15],其位势涡度很强,中尺度涡不易穿越黑潮进入南海。黑潮水在珠江口外受到多种因素的影响,在该位置分为向西和向北两部分,其中,向西流动部分汇入南海大的气旋式环流中,而向北流动部分进入台湾海峡[16]。
a)夏季
冬季,受东北季风的作用,海水主要流动方向为西南方向,在南海的北部和西部均出现明显的西边界流。在南海北部,东北季风驱动下表层动力向岸输送,底层海水离岸输送,上层海水在沿岸堆积下沉,形成下降流[17]。由于反向的冬夏季季风的作用,相对于夏季,黑潮在冬季入侵南海较强,这主要由于冬季黑潮向南海弯曲,其位势涡度小,中尺度涡容易穿越黑潮进入南海。对于流经珠江口的西南向沿岸流,受海南岛阻隔影响海流产生分支[18],一部分自琼州海峡流入北部湾,在东南亚沿岸形成明显的东北向离岸流,一部分沿海南岛南部继续向西南方向移动,两者在越南东部海域汇聚,进入南海大的环流中。
2.3 珠江河口海流季节性规律
珠江口具有宽阔的陆架以及陡峭狭长的陆坡,造成河口存在斜压作用,导致盐度分布不均、出现环流[19],同时河口区的风场、潮汐、径流量、冲淡水等是影响沿岸流在陆架扩展的重要因子[20],且其在扩展过程中与南海近岸环流相互作用,调制珠江口局部沿岸流变化。图7、8分别给出了河口区夏季和冬季海流特征,可以看出珠江河口海流结构同样具有显著的季节性变化,受伶仃洋东西两侧岸线形成的喇叭形边界和海床地形变化影响,河口内外海流特征具有一定的差异性,具体而言:冬季受东北季风影响,河口外沿岸流呈西南向,河口内一个潮周期伶仃洋海流特征呈东岸上溯、西岸回落的逆时针旋转流;夏季受西南季风影响,河口外沿岸流呈东北向,河口内一个潮周期伶仃洋海流特征呈东北—西南向往复流,其中冬季河口区西南沿岸流明显比夏季流速强、流幅窄;交汇区海流兼具河口内、外海流特征,但受河口岛屿群影响,交汇区海流流场较紊乱。
a)夏季-底层
a)夏季-底层
综上可知,珠江口外海盆常年被环流控制,冬季表现为西南向沿岸流,而夏季受南海暖流作用,反转为东北向上升流。对于河口区,冲淡水始终存在,在河口以及陆架海区形成低盐、低密度水团,其浮力效应以及风、潮汐、大尺度背景环流等外界强迫共同作用会形成近似羽状流[21],与夏季上升流和冬季下降流等联合作用共同构成了珠江口典型的环流特征,其中伶仃洋冬季动力表现为逆时针环流特征,即涨潮期海流沿东部海岸上溯、落潮期沿西部海岸下降;而夏季动力表现为东北—西南往复流特征,即涨潮期沿东北向上溯,落潮期沿西南向回落。珠江河口环流季节性运转路线见图9。
珠江口陆海交互作用,环流运动活跃,影响河口盐度、泥沙和营养盐的输运。本研究系统分析了珠江口环流的季节变化特点及其演变特征,主要结论如下。
a)珠江口及其邻近水域常年被外海环流控制,海流运动呈季节性变化,变化周期约为1年,且越靠近外海变化周期越显著。
b)珠江河口沿岸流冬季为西南向,夏季反转为东北向,其中西南向沿岸流出现的时间(约占66.5%)大于东北向沿岸流(约占33.5%),且前者流速强、流幅窄。
c)珠江河口内环流冬季为逆时针,即涨潮期沿东岸上溯、落潮期沿西部下降,夏季为东北—西南向往复流,即涨潮期沿东北向上溯,落潮期向西南向回落。
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